劉金偉1，施駿業(yè)1，陸冰清1，陳江平*1，游典，黃國平

（1-上海交通大學機械與動力工程學院制冷及低溫工程研究所，上海 200240；2-重慶長安汽車股份有限公司，重慶 404100）

0 引言

目前我國汽車產(chǎn)銷規(guī)模世界第一，2017年產(chǎn)銷達2,887.9萬輛，但是石油進口依賴度過高的能源安全問題和高排放導致的空氣污染問題日益嚴重，因此，電動汽車應運而生。純電動汽車完全依賴電能驅動，無油耗，無尾氣排放。國家已出臺的各類新能源汽車相關政策多達幾十項，純電動汽車已經(jīng)成為我國“十三五”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中的重要一環(huán)[1]。新能源汽車在全球范圍內(nèi)備受關注，其保有量快速上升[2]。盡管純電動汽車的發(fā)展勢頭良好，但相較傳統(tǒng)燃油汽車，純電動汽車的充電時間長，續(xù)航里程短。尤其在冬季，溫度越低，空調能耗對續(xù)航里程的影響更加明顯。這是由于目前純電動汽車的制熱功能多由正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱器實現(xiàn)，本質上是通過電流的焦耳效應將高品位的電能變?yōu)榈推肺坏臒崮軐崿F(xiàn)制熱，效率較低（0.80～0.95[3]）。加之冬季車艙的環(huán)境控制負荷較夏季更大，因此冬季開啟空調將導致電動汽車續(xù)航里程大幅下降（接近50%）[4-9]，嚴重影響了電動汽車的使用。

熱泵是一種高效的制熱方法，其工作原理是采用蒸氣壓縮式循環(huán)，實現(xiàn)外界熱量轉移至目標環(huán)境中，如同一臺“熱量泵”[10]。由于電動汽車沒有發(fā)動機，電動機產(chǎn)生的熱量不足以滿足采暖需求，因此熱泵系統(tǒng)并輔助電加熱的采暖技術，學者們認為是解決冬季采暖問題的有效途徑之一。當前熱泵的各種應用還存在很多問題。熱泵系統(tǒng)受環(huán)境溫度限制較大，-5℃以下熱泵效果較差[11]，采用一次回路和二次回路系統(tǒng)各有優(yōu)缺點[12]，采用四通閥系統(tǒng)比三換熱器系統(tǒng)性能和功耗更優(yōu)[13]，選擇合適制冷劑的種類對提高系統(tǒng)能效和環(huán)境適應性有較大幫助，充注量影響其性能和安全性[14-15]，換熱器和閥件類型對其除霜化霜、系統(tǒng)性能均有影響[16-17]，在滿足制熱性能的情況下，壓縮機高轉速和小風量的系統(tǒng)適配使運行功耗最小[18]，有必要針對車用熱泵進行大量理論和實踐研究，目前車用熱泵已經(jīng)成為電動汽車的研究熱點之一[19-20]，但汽車工業(yè)在這一方面經(jīng)驗相對缺乏，需要進行大量的工作。

本文以純電動量產(chǎn)車型為平臺，進行電動車用熱泵系統(tǒng)正向開發(fā)工作，對電動汽車熱負荷進行評估，對熱泵系統(tǒng)進行設計，對零部件及系統(tǒng)進行仿真分析，并進行實車搭載實驗驗證。

1 研究對象

本文的研究對象為新能源汽車空調熱泵系統(tǒng)，空調熱泵系統(tǒng)的主要組成為空調（Air Conditioning，AC）回路和乘員艙。AC回路主要由電動壓縮機、水冷冷凝器、膨脹閥、室外換熱器和氣液分離器組成。二次回路中經(jīng)水冷冷凝器加熱的防凍液通過暖風芯體換熱，被加熱的新風經(jīng)由空調風道（Heating，Ventilation and Air Conditioning，HVAC）為乘員艙提供熱量，滿足乘員艙內(nèi)部熱舒適性要求。

在冬季工況熱泵模式下，由壓縮機排出高溫高壓氣體通過水冷冷凝器，然后經(jīng)過節(jié)流閥，流經(jīng)外部換熱器后從氣液分離器返回至壓縮機吸氣口。二次回路水冷冷凝器中被加熱的防凍液經(jīng)暖風芯體加熱空氣，通過HVAC為乘員艙提供熱量。

2 仿真部件模型搭建

針對該新能源汽車空調熱泵系統(tǒng)建立KULI軟件仿真模型，確定其在熱泵工況下熱負荷組成，依據(jù)熱負荷組成和車型結構特征建立乘員艙熱負荷模型；根據(jù)AC回路組成的零部件特性，建立其單體模型，并在此基礎上搭建整車一維仿真分析模型。圖1所示為新能源車空調系統(tǒng)原理。

圖1 新能源車空調系統(tǒng)原理

針對乘員艙建立熱負荷模型，通常乘員艙熱負荷包括4個部分：

圖2 電動汽車熱負荷

式中，Qtot為空調系統(tǒng)總熱負荷，W；Qven為新風負荷，W；Qamb為車體圍護結構導熱負荷，W；Qrad為太陽輻射負荷，W；Qmet為人員及其他負荷。在式(1)中，“±”代表熱流方向：“+”代表熱量從外界流入乘客艙，“-”代表由乘員艙流向外界環(huán)境。冬季熱泵工況下，太陽輻射負荷和人員散熱較小，為充分滿足舒適性要求，太陽輻射得熱與人員散熱不予考慮，即可確定空調的冬季總熱負荷。

車身導熱負荷Qamb由乘員艙內(nèi)空氣與艙內(nèi)表面之間的對流換熱、車體圍護結構之間的導熱和車體外表面與環(huán)境之間的對流換熱共同組成。在常規(guī)計算中，常將車體圍護結構處理為多層平板導熱問題；然而車體圍護結構復雜，存在諸多熱橋及各向異性的材料，此類簡化的計算精度不理想。為解決該問題，使用半經(jīng)驗公式的方法進行擬合。首先，將對車體圍護結構導熱負荷進行實驗，并在實驗的基礎上歸納該負荷的一般規(guī)律即導熱系數(shù)；然后在結合該款車車體結構進行計算，得到目標車型的圍護結構導熱負荷。因此采用實驗測量的方法，通過模擬車內(nèi)環(huán)境高于周圍氣溫的條件，并記錄輸入熱量及乘員艙與環(huán)境的溫差，實驗標定車體圍護結構導熱的大小。在溫度穩(wěn)定的環(huán)境中使用電加熱對車體內(nèi)部進行加熱。待溫度穩(wěn)定后，記錄車內(nèi)平均溫度、環(huán)境溫度和加熱功率，計算車體圍護結構導熱系數(shù)：

式中，K為車體綜合導熱系數(shù)，W/(m·K)；Q為電加熱功率，W；ΔT為車內(nèi)均溫與環(huán)境溫度溫差，K。由式(3)所求得的導熱系數(shù)K即可用于計算一定溫差下車體向外的散熱量。

通過實驗標定，該款車型的車圍結構導熱負荷模型為：

為保證行駛安全及乘車人員的身體健康，使乘員艙空氣保持一定含氧量，乘員艙需要保持一定的新風量，這部分新風量所造成的負荷為新風負荷Qven。新風負荷為環(huán)境低溫低濕空氣經(jīng)暖風芯體加熱至乘員艙狀態(tài)所造成負荷。隨車內(nèi)外空氣狀態(tài)、車體新風量及車內(nèi)環(huán)境的不同，新風負荷可占總負荷的 50%～80%，冬季條件下，進入車體的新風僅經(jīng)過單一加熱的過程，新風僅發(fā)生潛熱的變化，其新風負荷計算模型為：

式中，Qven為新風負荷，W；ρ為車內(nèi)、車外空氣密度的算術平均值，kg/m3；V為新風體積流量，m3/h；cp為車內(nèi)外空氣比熱容均值，J/(m·K)；ΔT為車內(nèi)外溫差，K。

在乘員艙熱負荷模型的基礎上，建立乘員艙仿真模型。仿真模型的建立需綜合考量乘員艙物理尺寸和結構、車體材料特性、乘員艙內(nèi)外環(huán)境溫濕度條件狀況，以乘員艙熱舒適性為指標，在乘員艙的不同區(qū)域的溫度、濕度值不同，分別進行計算。

圖3所示為電動汽車熱負荷影響因素。在KULI平臺中輸入環(huán)境溫度、行駛速度、HVAC風量、空氣循環(huán)、不同空氣區(qū)域的對流、空氣區(qū)域的熱容、空氣浴駕駛室壁面的對流、車身的熱傳導、外壁的熱容和室內(nèi)熱容（座椅、儀表板）等參數(shù)，建立乘員艙仿真模型，該模型以出風口為輸入條件，輸出乘員艙內(nèi)部各個測點溫度狀況。選取乘員艙內(nèi)頭部平均溫度為評價參數(shù)，圖4所示為乘員艙頭部平均溫度的仿真結果和實驗結果對比。

圖3 電動汽車熱負荷影響因素

圖4 乘員艙頭部平均溫度仿真結果和實驗結果對比

通過乘員艙熱負荷模型的仿真運算，建立的乘員艙模型溫度變化曲線與整車環(huán)模實驗所得結果幾乎一致，說明建立的模型具有良好的準確性。

針對空調回路建立其主要零部件的一維仿真模型，包括暖風芯體、水冷冷凝器和壓縮機。

根據(jù)暖風芯體的結構尺寸參數(shù)，輸入KULI建立暖風芯體模型。圖5所示為KULI中暖風芯體單體仿真結果。由圖5可知，單體仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的最大誤差在8%以內(nèi)，均方差為4.2%。其精度可以滿足系統(tǒng)仿真要求。

根據(jù)水冷冷凝器的尺寸參數(shù)，輸入KULI中建立水冷冷凝器仿真模型。圖6所示為KULI中水冷冷凝器單體仿真結果，從圖6可知，冷凝器板換單體仿真的精度較好。仿真工況中，最大誤差為9.2%，誤差的均方差為4.8%，可以滿足系統(tǒng)建模要求。

圖5 KULI中暖風芯體建模仿真結果

圖6 KULI中水冷冷凝器建模仿真結果

壓縮機排量為34 mL，其等熵效率和容積效率隨壓比及轉速的變化不明顯，按照定值處理，建立制熱時的壓縮機仿真模型。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)取壓縮機的容積和等熵效率分別為0.9553和0.5978。

在KULI仿真模型建立的過程中，使用臺架實驗中的數(shù)據(jù)擬合壓縮機在不同轉速及壓比下的效率變化情況。圖7所示為制熱時系統(tǒng)制熱量仿真與實驗對比結果，由圖7可知，熱泵系統(tǒng)制熱量的仿真結果較好，15個工況中有 10個工況的誤差在±10%以內(nèi)，其系統(tǒng)仿真的平均誤差為1.5%，誤差的均方差為9.8%。

圖8所示為制熱時系統(tǒng)壓縮機功耗仿真與實驗對比結果，由圖8可知，熱泵系統(tǒng)壓縮機輸入功的仿真結果較好。其系統(tǒng)仿真的平均誤差為6.5%，誤差的均方差為12.5%。

空調熱泵系統(tǒng)仿真中，各個部件單體仿真模型精度較好，為建立系統(tǒng)模型提供了良好的基礎。所建立各個單體模型的仿真精度如表1所示。

圖8 制熱系統(tǒng)壓縮機輸入功仿真與實驗結果對比

圖7 制熱系統(tǒng)制熱量仿真與實驗結果對比

表1 零部件仿真模型精度

3 實驗與仿真對比分析

本實驗為某款插電式混合動力汽車（Plug in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）的電動（Electric Vehicle，EV）模式下整車環(huán)模熱泵實驗，依據(jù)《VS-12 02-T-04006-A1-2014電動汽車零部件環(huán)境試驗規(guī)范》和《GB/T 18386—2005電動汽車能量消耗率和續(xù)航里程試驗方法》開展。圖9所示為實驗新標歐洲循環(huán)測試（New European Driving Cycle,NEDC）工況下，車速隨時間的變化。

將整車置于溫度為-7℃、相對濕度為30%的環(huán)境中12 h，不開啟太陽輻射光照，然后在EV模式下按照修改的NEDC工況行駛，每個流程分為4個市區(qū)循環(huán)和1個市郊循環(huán)，時長為19 min40 s，里程為11.022 km，并開啟熱泵空調。

圖9 NEDC工況車速隨時間的變化

在熱泵系統(tǒng)單體模型的基礎上，搭建整車熱泵系統(tǒng)一維仿真模型，整車熱泵系統(tǒng)模型中AC回路水冷冷凝器模型依據(jù)之前建立的單體零件模型輸入搭建，額外搭建水冷冷凝器的水回路模型，建立水箱模型。然后通過暖風芯體與空氣側建立連接，經(jīng)過HVAC建立和乘員艙的換熱聯(lián)系。

HVAC模型中有6個出風口，總風量為330 m3/h，前吹腳風道流量均為150 m3/h，左側風道和右側風道流量均為15 m3/h，其余風道關閉。在每個流通風道中加入質量塊以模擬風道的熱容及漏熱，從而影響車內(nèi)的溫升快慢及出風溫度。乘員艙依據(jù)前述乘員艙模型輸入，設置初始溫度為-7℃，設置新風回風比為7/3。在低速工況下，蒸發(fā)器表面結霜導致壓縮機關停，為了模擬壓縮機頻繁啟停的現(xiàn)象，在系統(tǒng)模型中加入蒸發(fā)器質量塊及壓縮機切斷控制邏輯，空調開啟（Air Conditioning on，AC ON）信號為0表示壓縮機切斷，信號為1表示壓縮機吸合啟動。

設置仿真工況與實際實驗工況相同，以實驗的具體條件車速和壓縮機轉速為輸入，得到仿真結果。選取壓縮機吸氣和排氣壓力和水冷冷凝器出口水溫作為特征參數(shù)，壓縮機吸氣和排氣壓力與實驗結果一致表明AC回路模型建立準確，水冷冷凝器出口水溫與實驗一致表明二次回路模型建立準確，故用此評價熱泵系統(tǒng)一維仿真模型的準確性。

由于實驗過程中缺乏低壓數(shù)據(jù)，故以高壓數(shù)據(jù)為準。圖10所示為壓縮機排氣壓力實驗結果與仿真結果對比。由圖10可知，壓力與實驗結果擬合準確。壓縮機在某些時間點突然停止工作，作為輸入條件輸入KULI運行工況中，對應的壓縮機排氣壓力先陡然增大，后急劇減小，而實際中壓力驟減，此處皆由于壓縮機驟停的非穩(wěn)態(tài)狀況導致。

圖10 壓縮機排氣壓力實驗結果與仿真結果對比

圖11所示為水冷冷凝器出口水溫仿真結果。由圖11可知，水冷冷凝器出口水溫相差在3℃以內(nèi)，初始階段的溫升狀況與實驗過程擬合較準確，表明初始過程中包括水路水量、熱容等參數(shù)設置準確，而后存在一些波動，均在合理溫差范圍之內(nèi)。同時水冷冷凝器進出口水溫溫差與實驗結果擬合良好，表明熱負荷模型以及管路的漏熱模型參數(shù)設置較準確。

圖11 水冷冷凝器出口水溫

圖12所示為壓縮機功耗的仿真結果。由圖12可知，仿真結果與實際壓縮機功耗高度一致，在各個時段與實際情況高度一致，表明壓縮機模型建立較準確。對壓縮機功耗逐時累加，仿真結果計算的能耗為1.47 kW·h，實驗結果為1.53 kW·h，能耗誤差為3.9%。

圖12 壓縮機功耗

4 結論

本文針對新能源汽車空調熱泵系統(tǒng)，以實際車型為例按照新標歐洲循環(huán)測試工況進行了整車實驗。根據(jù)該車型搭建了乘員艙熱負荷模型和空調系統(tǒng)零部件仿真模型，得到如下結論：

1）新能源汽車冬季熱負荷由新風負荷和車圍結構導熱負荷組成，并據(jù)此建立了新能源汽車冬季熱負荷模型；

2）建立系統(tǒng)關鍵零部件、暖風芯體、冷凝器板換和壓縮機的單體仿真模型，與臺架實驗誤差在6.5%以內(nèi)；

3）針對新能源汽車空調熱泵系統(tǒng)建立了整車一維仿真模型，通過整車環(huán)模實驗驗證了模型的準確性，模型能耗誤差為3.9%。